dari sketsa 3d kemudian simulasi mekanika

ini merupakan kelanjutan postingan sya terdahulu, mengenai pencarian sya untuk kemudahan & kecepatan 3d modeling beserta simulasi mekanika dengan program mesher & elemen hingga.



SketchUp merupakan program modeling 3d yg cukup mudah, biasa digunakan untuk sebuah konseptual desain dikarenakan masalah akurasi pada model kecil/micro. banyak digunakan para arsitek dan animator, dikatakan kurang akurat karena object curve diwakilkan dengan pendekatan segi banyak tertentu menjadikan permasalahan pada penggambaran object 3d bidang lengkung seperti pertemuan dua buah pipa. namun apakah kondisi tersebut membuatnya tidak dapat digunakan?



 

kembali kepada konsep simulasi elemen hingga itu sendiri adalah pendekatan yg sama konsepnya, object lengkung diwakilkan dengan segmen garis banyak. jadi secara prinsip tidak masalah, berbeda jikalau masalah sambungan antar node mesh yg tidak terhubung. kondisi tersebut akan menjadian analisa gagal karena terjadi rigid body motions.



program SketchUp mempunyai fasilitas boolean operation, sehingga hal tersebut dapat diminimalisir. jikalau masih ada kendala akibat kondisi tersebut, program elemen hingga saat ini ada yg sudah menfasilitasi jenis constarint antar surface mesh tersebut dengan type bonded/glue/tie constraint, ditentukan toleransi jaraknya.

Piping 300 class tee WN, 10 by Trimble, 2007 (source: link)

ada sedikit catatan, pada model solid yg terdapat fillet atau chamfer yg bernilai kecil dibandingkan dimensi penampangnya akan mengalami sedikit kendala pada saat proses meshing, untuk tahap awal lebih baik dihilangkan terlebih dahulu untuk menghindari hasil auto mesher yg tidak diinginkan karena terlalu halus/rapat. namun hal tersebut juga akan menimbulkan masalah lain yaitu konsentrasi tegangan, jadi tetap sebaiknya adanya fillet dan chamfer dimodelkan pada tahap akhir.

Universal Joint by John C., 2006 (source: link)

berikut adalah contoh berbagai model bracket yg sya dapat dari SketchUp 3D Warehouse, sya gunakan untuk test integritas dan kemampuan software mesher Netgen (element type, material group & boundary condition) untuk solving & post-processing akan ditambahkan kemudian menyusul. jenist meshing yg digunakan auto tetrahedral quadratic dengan midside node untuk posisi kurvature.

test 1.

test 2

test 3

test 4.

test 5.

test 6.

test 7.

test 8.

test 9.

test 10.

test 11

test. 12

test 13.

test 14.

test 15.

dari test diatas, secara umum terlihat reliable mesh yg dihasilkan walau ada beberapa model by user yg tidak memenuhi untuk simulasi. program modeling 3D SketchUp berbeda dengan Solid CAD modeler lain yg menghasilkan standard file  (Brep, Iges, Step atau Acis), ya memang bukan benar-benar object solid namun sudah dapat berguna untuk model simulasi elemen hingga. jika ingin digunakan maka penentuan pembagi (segments) object lengkung perlu diterapkan terlebih dahulu di awal pada saat pemodelan, hal ini dimaksudkan untuk menghindari hasil auto mesh yg terlalu halus seperti yg ditunjukkan pada test 6, 7 & test 11, 12.

Read More

Analisa Struktur Solid dgn perubahan parameter

desain dan analisa struktur benda pejal/solid biasanya membutuhkan trial/error pada beberapa parameter untuk mendapatkan struktur yg memenuhi kekuatan dan efisiensi. parameter tersebut biasanya adalah geometri dan terkadang mutu material, lainnya dapat berupa kondisi tumpuan (jarang) sedangkan factor nilai beban adalah tetap (fixed). hal yg menjadi kriteria kekuatan adalah distribusi tegangan elastis/plastis dan stabilitas.



pada tulisan ini saya menggunakan program 3D modeling yaitu FreeCAD 0.16 dan solver FEM yaitu CalculiX 2.8. program 3D modeling yg digunakan mempunyai fasilitas geometry constraint, sehingga sudah dapat memenuhi untuk digunakan study parameter dari geometry yg akan dilakukan modifikasi.



diatas adalah tampilan program, fasilitas constraint yg disediakan cukup banyak metodenya. yg saya gunakan saat ini adalah vertical&horisontal line, diameter, radius, distance, symmetric, equal dan point connection. saat perlu dilakukan perubahan pengguna cukup memasukan data dengan cara double click dimension pada mode sketch.



hal pertama yg sya lakukan adalah membuat sketch 2D dari profil Wide Flanges kemudian melakukan extrude dengan "Pad a selected sketch" ketinggian tertentu. setelah itu pembuatan sketch lain pada bidang web hasil extrude tsb sebagai acuan lubang lingkaran dalam membuat circular castellated beams.



aktifkan modul FEM Workbench untuk melakukan analisa struktur solid, dalam hal ini penentuan meshing elemen hingga, material, kondisi tumpuan dan beban muka merata. ada yg sedikit berbeda dengan software FE biasanya, dalam hal ini penentuan kondisi batas (tumpuan dan beban) didasarkan dari permukaan object solid CAD bukan dari node hasil mesh sehingga akan mempermudah pengguna.



hasil meshing automatic tetrahedral, pastikan bahwa pilihan yg digunakan adalah element jenis quadratic (extra midside node) dengan click radio botton "Second order" mengenai kehalusan dapat dipilih jenis kasar (Coarse) untuk awal. tidak direkomendasikan menggunakan element tetrahedral linear karena sudah banyak menunjukan kurang akurat dan perlu mesh yg sangat halus untuk mencapai konvergensi.



setelah dilakukan meshing kemudian solving dgn CalculiX, pada menu tersebut terdapat tombol pembuatan input files dalam format CalculiX/ABAQUS, dapat dilakukan juga editing missal untuk penambahan jenis beban gravitasi akibat berat sendiri, penambahan jenis material nonlinear dengan keyword *PLASTIC atau penambahan request output yg diinginkan serta lainnya.



tekan tombol Run atau Re-run CalculiX dan tunggu beberapa saat sampai selesai dan aktifkan "Show result information of an analisys" dari icon toolbar.





post-processing FEM pada FreeCAD 0.16 masih belum lengkap (in development) seperti adanya legend for contour values, tegangan arah X,Y,Z dan  XY,XZ,YZ, cutting plane serta warna kontur yg terlalu dominan hijau (in my personal opinions). jika ingin lengkap diperlukan program bawaan CalculiX Graphics (CGX) dari bConvergence untuk distribusi OS Windows.

File masukan atau input & output data dalam format CalculiX berada pada folder temporary:



menu program CalculiX Graphics CGX dapat diakses dengan klik kiri mouse (left click) pada legend values.



lainnya diakses dengan perintah di Command Prompt dengan posisi mouse tetap berada pada mode graphics, fasilitas perintah tersebut diantaranya adalah untuk tampilan potongan penampang pada jarak tertentu, pemberian keterangan nilai besarnya tegangan/lendutan pada suatu titik/nodes, tampilan deformed structures, group dari nodes yg di constraints, group permukaan bidang kontak (input files), dll



diatas adalah contoh sederhana dengan perubahan parameter lubang, meshing & kondisi batas (tumpuan & beban) akan dilakukan update secara otomatis jadi pengguna cukup re-run analysis saja. sebenarnya contoh ini kurang sesuai dengan aplikasi di lapangan, balok baja jenis castellated yg mempunyai parameter adalah type lubang hexagon dengan beberapa variasi sudut lubangnya serta panjang las sambungannya.





 

 

 

 

Read More

meshing dominasi jenis hexahedral dgn GMSH

element solid jenis hexahedral yg linear atau quadratic mempunyai kelebihan yaitu jumlah element yg lebih sedikit dan juga lebih akurat dibandingkan tetrahedral. element solid jenis hexahedral linear incompatible masih reliable sedangkan jenis tetrahedral linear kurang akurat dan tidak direkomendasikan untuk digunakan. mengenai jumlah element dan persamaan dapat terlihat perbandingannya yaitu 1:5 sehingga penggunaan element hexahedral tentunya akan lebih cepat waktu penyelesaian persamaannya.



kompleksitas bentuk object yg akan dilakukan analisa struktur membutuhkan program automesher untuk mereduksi waktu pada tahap pemodelan FE. kebanyakan otomatisasi meshing yg sudah banyak tersedia adalah untuk element shell/plate adalah  jenis triangle, sedangkan untuk element solid adalah jenis tetrahedral. masih cukup jarang program mesher yg dapat menghasilkan element quadrangle atau hexahedral penuh secara otomatis untuk object sembarang/tidak beraturan, biasanya membutuhkan penentuan partisi/block.

(source: Remacle, 2014)

otomatisasi algoritma yg digunakan oleh GMSH sudah mampu full quad pada meshing permukaan (surface) baik itu yg kondisi bidang (plane) dan lengkung (curved).

berbeda keadaannya pada meshing element solid/volume, otomatisasi yg sudah ada adalah untuk jenis tetrahedral. otomatisasi meshing hexahedral di GMSH belum dapat menghasilkan full (rumit sekali menurut pembuatnya), algoritma yg digunakan adalah dominant hexa sehingga masih ada beberapa persen element jenis lain.

GMSH hex-dominant

volume mesh clipping

contoh object lain (cylinder&ring),

seberarnya object diatas masih sederhana dan memungkinkan untuk dapat dibuat full hexa dengan cara partisi/block atau extrude/revolve mesh quad plane yg  dibuat sebelumnya, dalam hal ini hanya sebagai contoh saja.

masih cukup banyak element jenis tetrahedral, mungkin sya ada yg terlewat setting parameternya. namun ini jauh lebih sedikit dibanding hasil meshing automatis full tetrahedral dgn parameter faktor panjang tepian yg sama.

 contoh lain pada object yg cukup rumit untuk meshing dari file STEP komponen mesin yg sya dapat dari GrabCad.com (Manzoor, 2016)

Read More